GPS测量与数据处理 国外三款著名GPS数据处理软件
时间：2012-12-21浏览： 次责任编辑：四川拓图测绘仪器
GPS 数据处理是GPS 研究的一个重要内容。目前，国际上广泛使用的GPS 相对定位软件有：美国麻省理工学院（MIT）和加州大学圣地亚哥分校Scripps 海洋研究所（SIO）研制的GAMIT/GLOBK，美国喷气推进实验室（JPL）研制的GIPSY/OASIS 软件和瑞士BERNE 大学研制的Bernese 软件。选用一种好的数据处理方法和软件对GPS数据结果影响很大。在GPS静态定位领域中，几十公里以下的定位应用已经比较成熟，接收机的随机附带软件已经能够满足大多数的应用需要。但是在GPS 卫星定轨以及长距离、大面积的定位应用中，如洲际板块运动监测及会战联测中，这些随机附带软件就远远不能达到要求。
近年来，GPS 定位理论和软件科学的发展促进了GPS 定位软件的研发，一批满足不同应用需求的GPS 定位软件亦已面世。尽管不同软件在GPS数据处理方法上各有其特点，但它们的总体结构基本上是一致的，即由数据准备、轨道计算、模型改正、数据编辑和参数估计5 部分组成。
1、数据准备
RINREX 格式的数据转换为软件特有的数据格式；剔除一些不正常的观测值（如缺伪距或某个相位数据）；根据测站的先验坐标、星历和伪距数据确定站钟偏差的先验值或站钟偏差多项式拟合系数的先验值。
2、轨道计算
将广播星历或精密星历改成标准轨道；如果需要改进轨道，则进行轨道积分，将卫星坐标及坐标对初始条件和其他待估参数的偏导写成列表形式。
3、模型改正
对观测值进行各种误差模型改正（对流层折射、潮汐、自转等）得到理论值及一阶偏导，从观测值中扣除这些理论值得到相应的验前观测残差。
4、数据编辑
修正相位观测值的周跳，剔除粗差。
5、参数估计
采用最小二乘或卡尔曼滤波估计，由编辑干净的非差观测值或双差观测值求解测站坐标、相位模糊度、（如果采用定轨或轨道松弛）卫星轨道改正值、地球自转和对流层湿分量天顶延迟等参数。
一、GAMIT/GLOBK
GAMIT/GLOBK 软件是MIT 和SIO 研制的GPS 综合分析软件包，可以估计卫星轨道和地面测站的三维相对位置。软件设计基于支持X－Windows 的UNIX 系统，现在的版本适用于Sun（OS/4，Solaris 2）、HP、IBM/RISC、DEC 和基于、Intel 工作站的LINUX 操作系统。作为科研软件，GAMIT/GLOBK 供研究和教育部门无偿使用，只需通过正式途径得到使用许可证。
完全的开放性使用户可以对软件的工作原理、数据处理流程及技巧有全面的了解，这也在一定程度上促进了GAMIT/GLOBK 的不断更新。GAMIT 软件处理双差观测量，采用最小二乘算法进行参数估计。采用双差观测量的优点是可以完全消除卫星钟差和接收机钟差的影响，同时也可以明显减弱诸如轨道误差、大气折射误差等系统性误差的影响。GAMIT 软件主要功能和特点如下：
- 卫星轨道和地球自转参数估计；
- 地面测站的相对定位计算；
- 用模型改正各种地球物理效应（极移、岁差、章动、潮汐等）；
- 对流层天顶延迟参数和大气水平梯度参数估计；
- 支持接收机天线相位中心的ELEV（随卫星高度角变化）模型改正；
- 可选观测值等权、反比于基线长度或随高度角定权；
- 同时提供载波相位整周模糊度分别为实数和整数的约束解及松弛解；
- 数据编辑可人工干预（CVIEW），也可自动处理（AUTCLN）。
用GAMIT 估计对流层天顶延迟参数和大气水平梯度参数，通常采用线性分段模型，根据观测时间和区域自主确定参数个数。如果测站间隔较近，估计得到的参数间的相关性会非常大，由此降低了应用于气象学研究的可靠性。这是所有相对定位软件的共同局限。关于观测值定权，软件推荐的是随高度角定权的方法，关系式表示为rms＝a*a＋b*b/(elev*elev) （mm），具体操作中a 和b 可采用缺省设置，也可以在等权解算结果的基础上，利用AUTCLN 通过对观测值的残差分析拟合得到。很显然，通过残差拟合a 和b 是以增加计算时间为代价的。可以通过处理少数几天的观测数据，获取每个站a 和b 的平均值作为这个站的缺省值，
潮汐模型中最复杂的是海潮部分，其模型改正直接在GPS 数据处理软件中完成非常困难。GAMIT 采用的方法是直接从文件station.oct 中读取或通过全球范围的栅格表grid.oct内插得到测站分潮波的振幅和相位即海潮系数。随GAMIT 软件包发布的station.oct 文件包含了全球465 个跟踪站（GPS/SLR/VLBI）的海潮系数，它们主要是采用CRS4.0 全球海潮模型得到的，个别站也辅以CRS3.0 或其他模型。在具体操作中，测站如果距station.oct 中某个跟踪站的距离小于10km，则测站的海潮系数就直接取用这个跟踪站的，否则就需要通过grid.oct 内插。但一些实际的数据处理结果表明，直接利用随GAMIT 软件包发布的station.oct 对中国大陆的测站进行海潮改正的效果并不理想。这可能是由海潮模型及station.oct 文件中跟踪站分布的局限性造成的。
GAMIT 软件处理GPS 数据的过程非常复杂，但就近几年的卫星状况和接收机的状况，数据筛选和编辑完全可由数据自动编辑模块AUTCLN 完成。FIXDRV 模块将数据处理部分的工作集为一体，使数据处理变得简单易行。从2000 年起随软件包一起提供的一个由C－shell写成的程序sh－gamit 更是将繁琐的数据准备和处理工作集成化，只要在RINEX 格式的观测文件中给定正确的相关信息即可。
GLOBK 是一个卡尔曼滤波器，其主要目的是综合空间大地测量和经典大地测量的初步处理结果完成数据的后处理。因此它的输入一般是一些准观测量如测站坐标、地球自转参数、卫星轨道及它们的方差－协方差。虽然最初发展GLOBK 是作为GAMIT 和CALC/SOLVE（VLBI的数据处理软件）结合的一个界面，但现已可以接受其他GPS 数据处理软件如GIPSY 和Bernese 产出的结果及经典大地测量和SLR 观测数据。GLOBK 三个主要的应用是：
（1） 结合一个观测作业期内不同时段（例如不同天）的初步处理结果，获取该观测作业期的测站坐标最佳估值。对GPS 分析，轨道参数可作随机参数处理；
（2） 结合不同年份获取的测站坐标结果估计测站的速度；
（3） 将测站坐标作为随机参数，生成每个时段或每个观测作业期的坐标结果以评估观测质量；
GLOBK 是一个复杂且又非常灵活的应用软件，包含又许多控制命令，每个命令完成一个功能，不同的命令组合实现不同的应用。
二、GIPSY
GIPSY 软件是美国JPL 研制的GPS 数据处理软件。无疑，JPL 在空间技术的许多方面，当然也包括在GPS 整个系统与软件技术方面均有不可比拟的条件和领先性。GIPSY 用FORTRAN与C 语言等编写而成，目前主要有UNIX 和LINUX 版本。GIPSY 主要通过脚本程序实现程序的自动化处理，很多情况下可通过简单的窗口操作运行。GIPSY 软件是有限制的自由软件，但不包括源代码。
GIPSY 软件是基于VLBI 数据分析软件而开发的，在数据分析中，不取载波相位数据的双差，而是直接处理载波非差观测量，这是GIPSY 的一大特色。在非差处理模式中，卫星钟差和接收机钟差被视为具有白噪声性质的平稳随机过程直接估算。非差处理模式不仅使精密的单点定位成为可能，而且观测值的个数较双差多，这对于现在我们一般施测的高密度区域来说并没有什么显著影响，但对大且测点稀疏的GPS 网则意义重大。但采用非差观测量也存在着明显的不利之处：
1、因为非差观测量不能像双差观测量那样消除或减弱许多共同误差源的影响，特别是星钟和站钟，从而使可靠及自动地探测粗差和周跳变得非常困难；
2、增加了待估参数（卫星钟差和接收机钟差）。
Blewitt（1991）提出了Turbo－Edit 算法用于编辑非差数据，但Turbo－Edit 算法需要利用双频的码观测和相位观测，而且数据编辑的质量在很大程度上取决于码观测的质量。GIPSY 软件在数据编辑方面采取的策略是在Turbo－ Edit 算法之外，又引入了主要依赖相位数据的Phase－Edit 算法，以弥补Turbo－Edit 算法的不足。GIPSY 的另一个特色是参数估计采用卡尔曼滤波的方法，其核心是一个均方根信号滤波的序贯估计算法。该算法对数据有过滤作用，能进一步剔除被污染的数据，保证了最终结果的可靠性。此外，卡尔曼滤波的参数估计法还具有数值运算稳定，随机量设置灵活的特点，但CPU 的占用时间较最小二乘算法多2～3 倍。GIPSY 采用的处理模式和参数估计方法虽然完全不同于GAMIT，但在功能上具有可比性：
- 用白噪声模拟时钟钟差，提供精密单点定位；
- 多点联合处理，估计测站在全球坐标系下的位置，生成无基准解；
- 两种轨道计算模式；固定轨道和松弛轨道；
- 模拟改正所有已知的地球物理效应，包括极移、岁差、章动及各种潮汐；
- 采用顾及光线弯曲和地球曲率的对流层延迟模型，将天顶延迟和大气梯度作为漫步式的随机过程加以估计；
- 求解相位整周模糊度。
虽然GIPSY 采用非差模式用相位观测量作单点精密定位，但在解算整周模糊度时仍需要采用双差，因此也需要多点，至少2 个点联合处理。此外，钟差模拟估计也需要一个高精度的站钟做参考钟。
与GAMIT 软件相比，GIPSY 软件的优势，除上面提到的非差处理模式的优势外，还体现在：
1、数据处理时间只随观测点数线性增长；
2、检查验后残差中是否存在周跳比较直观、简单，很容易判别不佳结果的原因所在。
三、Bernese
瑞士BERNE 大学研制的Bernese 软件包由数十个独立的程序组成，各个程序通过文件被有机的结合起来。主体源程序由FORTRAN 写成，适用于多种计算平台。Bernese 为非自由软件，它的每一次升级都是功能方面的一次大的提高或完善。
Bernese 软件的功能非常强大，定位、定轨、估计地球自转参数，对各种有效改善定位/定轨精度的方法广泛吸纳。Bernese 4.2 版基于1996 年发布的4.0 版，改进了对流层模型及随机参数估计，提供了观测值依高度角定权的选择。在双差处理模式的基础上增加了非差处理模式，进一步完善了一些工具模块。可以说，Bernese 软件4.2 版集GAMIT 和GIPSY 的功能与特点于一体，是目前功能最完善的GPS 定位软件。
此外，Bernese 还具有下列独特的功能：
- 处理卫星的SLR 观测数据；
- 处理GLONASS 卫星数据；
- 估计接收机天线的相位中心偏差及变化。
目前已有多种可以同时接收GPS 卫星和GLONASS 卫星信号的接收机投入市场，例如Ashtech 公司的GG24 和Z18，TSP 公司的Javad Legacy GGD 等。但由于GLONASS 系统在轨卫星有限，且用于精密定位并不比GPS 系统更具优越性，因此并没有得到广泛的实际应用。
Bernese 纳入GLONASS 观测处理，主要是为了研究不同卫星信号、不同参考框架和不同时间尺度的数据处理的方法，积累同时应用两种不同卫星导航系统的经验。利用GPS 数据估计接收机天线相位中心的偏差及变化，较在实验室内标定工序简单，但其缺点是只能估计不同天线类型间的相对值，因此，至少需要一个已知相位中心偏差及变化的天线作为参考天线。
由于Bernese 有两种处理模式，支持多种观测量，所以其结构较GAMIT 和GIPSY 更为复杂，很难给出一个详尽的数据处理流程。此外，尚需要说明的是：
（1） Bernese 采用的参数估计方法是最小二乘法；
（2） Bernese 在轨道模型和轨道解算方面极富特色，BERNE 大学Beutler 等1994 年发展的9 参数的光压模型至今仍是许多GPS 相对定位软件的主打模型，包括GAMIT 软件。但目前Bernese 采用的光压模型是9 参数的ROCK4/42 改良模型，并对9 参数都考虑掩星效应。这是Bernese 在卫星轨道部分与GAMIT 的两个不同之处；
（3） 由于非差处理模式在探测粗差和周跳方面存在着不足，Bernese 推荐的处理模式是双差处理模式；
（4） Bernese 具有对非同步观测结果进行综合分析（方差估计、位移速率解算）的功能。
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